浅论固井水泥浆技术在页岩气井的应用

钟声

摘 要：页岩气作为一种储量丰富的非常规油气资源，近年来得到快速发展。美国通过页岩气的开发成功的由天然气净进口国转变为出口国。而我国页岩气资源非常丰富，高效的开发利用不但具有良好经济效益还具有极高的战略意义。固井水泥浆技术是钻完井技术的一个重要组成部分，是实现有效层间封隔保证页岩气高效开发的重要因素之一。本文对近年来国内外在页岩气固井水泥浆 技术上取得的进展进行调研分析 ，阐述在页岩气井固井过程中采用的新技术，指出下一步页岩气井水泥浆技术发展方向。

关键词：页岩气；水平井；固井；水泥浆

页岩气主要分布于致密、低孔、低渗的泥页岩地层中，其主要的储存空间是岩石发育的微孔和裂缝，并且存在方式主要以吸附为主，与常规岩储层不同，页岩储层具有脆性强、构造裂缝及微裂缝发育等特点。 此外，页岩中富含的黏土成分还会使页岩水敏性、膨胀性强、 容易坍塌。而不合适的固井措施会导致井筒层间封隔失效，进而引起气窜。天然气窜至井口 引起的环空带压现象会影响到天然气量和增产措施的实施。良好性能的水泥浆体系是实现页岩气井在全生命周期有效层间封隔、防止环空气窜的重要保障之一。本文对近年来国内外页岩气固井水泥浆技术进行调研分析，介绍了国内外在页岩气井水泥浆技术方面取得的进展。

1.页岩气固井面临的困难与挑战

由于页岩含泥质较多产层极易跨塌破碎，与水泥石胶结质量差，胶结强度低。另外，水泥石在凝固和硬化过程中会发生体积收缩，在套管与水泥环、水泥环与地层之间的胶结界面 容易生成微环空和微间隙，形成气体窜流通道，导致页岩气发生窜流。窜至井口形成环空带压，至低压层会影响产量，嚴重的环空带压会导致整个气井报废[4] 。

页岩气水平井普遍具有位移大的特点，后续的增产措施多采用多级压裂方式。水泥石是 一种硬脆性材料，自身协调形变能力差，和地层及套管具有不同的弹性和形变能力。在多级压裂过程中会反复遭受循环载荷，水泥石受到较大的内应力和冲击力产生径向裂纹、裂缝。 此外，在后续生产阶段的增产措施也会对水泥石产生循环应力，使水泥石疲劳产生裂纹、裂缝。因此，实现页岩气井有效的层间封隔也对水泥石的力学性能有着较高的要求。因此，页岩气固井要求水泥浆要具备如下特征：1）沉降稳定性好，上下密度差小；2） 无自由水；3）失水量小；4）防气窜能力强；5）水化体积收缩率小；6）力学性能好等。

2.国内外页岩气井水泥浆技术

2.1泡沫水泥

泡沫水泥自上世纪七十年代首次在油田得到成功应用以来，得到广泛的发展并日趋成熟。泡沫水泥具有良好的失水控制性、泥浆顶替效率以及较低的液柱压力等优点，多用于低压易漏失地层固井施工。泡沫水泥相对常规水泥还具备更好的拉伸和延展性能，不但可以有效防止压裂井环空窜流，尤其是环空气窜问题；还有利于人工压裂造缝，增加产量。通常的制备方法是将氮气注入含有泡沫稳定剂的水泥基浆中，注入气体量推荐控制范围在35 %以内，密度范围一般在0.8～1.8g/cm3之间。随着气体量的增加渗透率和抗 压强度下降。鉴于泡沫水泥的优良特性，取得较好的经济效益。，用氮气起泡，将密度调整为1.6～1.7g/cm3之间。施工时以非泡沫水泥作为领浆封固垂直井段，少量非泡沫水泥尾浆被用来封固套管鞋连接处。

酸溶水泥曾被用来暂时封堵易漏失产层。采用常规水泥浆体系的水平段通常在射孔时 会在套管和地层间形成具有一定弯曲度的通道，环空中的水泥产生的堵塞效应也会影响流体的流动，这些不利因素影响了页岩气井后续多级压裂时在每个射孔位置成功实现独立的人工裂缝以及在射孔段之间形成有效层间封隔的效果。添加一定量CaCO3的酸溶水泥相对常规 水泥在盐酸（HCl）中表现出更好的溶解性，其溶解度达到92%，而常规水泥的溶解度约为25%。酸溶的速度主要取决于水泥中CaCO3的溶解度和与酸液接触的时间。可以通过调整注入酸液的体积以及注入速率控制溶蚀程度。因此，先于压裂液注入采用酸溶水泥的水平井中清除射孔处的水泥屑和堵塞，同时还在相应环空形成大片的连通区域从而为多级压裂提供 良好的施工环境。此外，酸溶水泥的强度较常规水泥下降，但还是足以支撑套管串并形成良 好的层间封隔。在现场操作中，酸溶水泥在美国Fort Worth盆地Barnett页岩气井中得到成功应用[12，13]。

2.3泡沫酸溶水泥

如果固井层段地层脆弱，天然裂缝发育，常规密度酸溶水泥不能有效的实现层间封隔。 在酸溶水泥中加入泡沫稳定剂并充入氮气制备成低密度的泡沫酸溶水泥。该体系同时集合 了泡沫水泥和酸溶水泥的优点，具有良好的力学性能和堵漏性能。典型的泡沫酸溶水泥的基 浆为H级水泥，添加碳酸钙增加溶解性，密度为1.9g /cm3。注入氮气生成泡沫可将密度减轻至1.6g /cm3。施工过程用少量非泡沫水泥作为领浆封固垂直井段，酸溶泡沫水泥封固水平段，尾浆采用少量非泡沫水泥封固套管鞋连接处。

2.4火山灰水泥

火山灰水泥利用火山灰和H级水泥作为基浆，掺比为50：50。该体系强度和密度中等，典型的密度在1.6～1.7g/cm3之间。体系的强度虽然较常规度水泥浆低，但是却在防漏失方面性能良好，尤其是在具有天然裂缝和煤层段固井时降低漏失和破裂压力方面起到良好的作用。 此外该体系还有利于压裂作业，易于达到理想的压裂效果。添加了降失水剂和防滤失控制材料的该体系也能有效的降低页岩层的水泥滤失。

2.5胶乳水泥

胶乳是一种颗粒直径在200～500nm的聚合物乳液，通常采用表面活性剂作为稳定剂。固相含量一般在50%。添加胶乳的油井水泥具有良好的胶结性、抗腐蚀性、降失水性、抗冲击和延展性等优点。通常应用于易发生环空气窜固井、小间隙固井以及含腐蚀介质固井。常 用的胶乳为醋酸聚乙烯胶乳和丁苯胶乳。水泥浆中氯离子会引起胶乳凝结使水泥浆粘度增大。此外低温下应用还需要增加大量酒精、乙醚、硫酸盐类稳定剂和减阻剂来保证胶乳的悬浮稳 定性。美国Louisiana和Texas地区的Haynesville页岩气水平井具有大位移、高温高压小间隙、 压力窗口窄的特点，给固井施工带来了挑战，Pavlock等采用一种改进的胶乳水泥浆体系成功解决了这一难题。该胶乳在不添加稳定剂的条件下能在浓度为18 %的盐溶液中保持稳定， 添加少量稳定剂能在饱和的浓盐水中依然保持稳定。该体系流变性好并在大温差下依然保持稳定，最高承受温度可达204℃。水泥石良好的拉伸性和弹性有效防止环空气窜的发生。

2.6弹性膨胀水泥浆

弹性膨胀水泥通过添加膨胀剂和弹性材料改善了水泥石收缩和弹性性能。相对常规水泥 将能经受多次循环应力变换，保证了水泥环长期完整性，防止出现环空气窜[。弹性膨胀水 泥固相含量可达60%，密度可以在1.6～1.9g /cm3之间调整，同时线性膨胀可达0.4%。和常规水泥浆相比，杨氏模量下降了40%～70%。固井施工方案 将 弹性膨胀水泥浆用在封固水平井段上部地层，水平井段采用常规水泥浆封固。该水泥浆在 6 口井得到了应用，超声测井结果显示固井质量达到设计要求。

3结论

1）页岩气井地质条件复杂，容易出现井漏、气窜现象。此外，页岩气井多采用大位移水平井，并在后续采取多级压裂的储层改造增产措施，这些因素对固井水泥浆体系有着更高的要求，水泥环良好的力学性能是保证多级压裂成功并防止环空气窜的重要因素之一。2）.不同的页岩气井固井水泥浆体系各具有独特的优良特性，在实际固井工作中，应结合地质状况、后续增产措施等方面设计出安全经济可靠的水泥浆体系。